Samband mellan tryck och packning

Packning inträffar, när det utifrån pålagda trycket är större än jordens bärförmå ga. Ju högre trycket är vid en viss körning och ju fuktigare jorden är (upp till en viss gräns), desto intensivare blir packningen.

En lucker jord är mindre motståndskraftig mot tryck (mera packningsbenägen) än en jord som redan är packad. Första överfarten av en maskin på en lucker jord orsakar därför en stor volymminskning (packning), andra överfarten en mindre förändring o.s.v.

I denna bok används termen jordpackning i betydelsen en minskning av en viss jordmängds volym eller ett visst jordlagers djup under inverkan av ett pålagt yttre tryck, huvudsakligen genom att luft drivs ut. Termen används sålunda för en volymsminskning i en sådan jordmassa, där en del av porsystemet är luftfyllt. En del av packningen sker omedelbart när trycket läggs på, och denna del tycks vara ganska lika på olika typer av jordar. En annan del är en något mera utdragen process och denna del är större på lerjordar än på sandjordar.

Om porsystemet i den jord, som utsätts för tryck, är helt vattenfyllt, brukar man inte tala om packning utan om konsolidering. För att volymen skall kunna minska måste då vatten och inte luft drivas ut genom tryckets inverkan. Detta är en mycket långsammare och mera utdragen process än packning och någon omedelbar volymsminskning sker inte. Denna process har sitt största intresse i geotekniska sammanhang (grundläggning o.d.) och inte i jordbruket.

Med termen packning avser man sålunda en process i jorden. Dess omfattning kan karakteriseras av den absoluta eller relativa minskningen av den aktuella jordmassans volym eller det aktuella jordlagrets djup, av minskningen av jordens porositet eller av ökningen av dess torra skrymdensitet. När det resulterande tillståndet i marken skall karakteriseras talar man om packningstillståndet. Detta kan karakteriseras med hjälp av jordens porositet, skrymdensitet eller packningsgrad (faktarutorna 5 och 11).

Innan vi går in på vad som händer när man kör med maskiner i fält, skall några typiska resultat från laboratoriestudier av sambandet mellan tryck och packning presenteras. I Fig. 9A visas hur jordens skrymdensitet (denna och andra markfysikaliska termer förklaras i faktaruta 5) successivt ökar, när en från början mycket lucker jord utsätts för tryck på så sätt att trycket ökas stegvis och för varje steg får ligga på en kort stund (dock under betydligt längre tid än det tar för ett hjul att rulla över en punkt på marken). Kurvor i enlighet med diagrammet har erhållits för många olika jordar. Inom vissa gränser ökar skrymdensiteten proportionellt mot logaritmen av trycket.

A. Jordens skrymdensitet ökar rätlinjigt med logaritmen av trycket. Avbryts tryckökningen och jorden avlastas, så minskar densiteten bara obetydligt (streckad linje). Ökas sedan trycket åter, så ökar densiteten mycket lite, tills trycket åter kommit upp till värdet före avbrottet, men därefter ökar den som om inget avbrott skett.

B. Packningskurvor fö r en och samma jord vid olika vattenhalt. Kurvorna är parallella inom det tryck och vattenhaltsområde, som är normalt vid fältarbeten. Ju fuktigare jorden är, desto lägre är den densitet och det tryck då densitetsökningen upphör.

Vilken densitet man i laboratoriemätningarna får vid ett visst tryck beror också på jordens fuktighet. Inom det fuktighetsintervall som ä r vanligt under fältarbeten, ökar flertalet jordars densitet med vattenhalten. Fig. 9B visar resultat för samma jord vid olika vattenhalter. Man får då en serie parallella kurvor. Så länge kurvorna stiger, innehåller jorden så mycket luft att den kan packas genom den kortvariga belastningen. Nä r nästan all luft är utdriven och porerna så gott som vattenfyllda, upphör emellertid packningen, eftersom vatten är mycket svårare att driva ut än luft. Därför uppstår det ett mottryck i porvattnet, som förhindrar ytterligare packning. Ju högre jordens vattenhalt är, desto mindre luft innehåller den. Därför upphör packningen vid lägre tryck och vid lä gre densitet ju fuktigare jorden är.

Den fasta substansen i jorden består av mineralkorn av olika storlek samt organisk substans (mull). En jords egenskaper bestäms i hög grad av dess kornstorlekssammansättning och mullhalt. I den svenska jordartsklassifikationen har man hittills brukat indela mineralpartiklarna i följande storleksklasser (mm):

I många andra länder, exempelvis USA och Norge indelas fraktionen <2 mm endast i tre storleksklasser, nämligen ler (<0,002 mm), silt 0,0020,06 mm) och sand (0,062 mm). Då kan jordartsindelningen åskådliggöras i ett diagram, en s.k. ”jordartstriangel”. Figuren nedan visar i form av ett sådant diagram den klassifikation som numera används i Norge.

Den streckade kurvan i Fig. 9A visar vad som händer om man först utsätter jorden för successivt ökande tryck upp till ett visst värde men sedan avbryter tryckökningen och avlastar jorden. Denna sväller då något men bibehåller nästan den densitet den hade när tryckökningen avbröts. Börjar man därefter öka trycket igen, så händer inte mycket förrän man åter kommit upp till det tryck som rådde före avlastningen. Då fortsätter densiteten att öka som om man aldrig avbrutit tryckökningen. Översatt till fältförhållanden innebär detta att om en jord packats genom ett tidigare tryck, så måste detta tryck överskridas innan jorden åter börjar packas. Tryck lägre än det tidigare pålagda åstadkommer endast ringa packning. Trycket vid denna brytpunkt brukar kallas förkonsolideringstrycket (engelska precompression stress) och kan i homogena laboratorieprover vara väl definierat. I fält gör dock jordarnas heterogenitet att förkonsolideringstrycket inte är lika klart markerat.

Vid körning med maskiner i fält är emellertid förhållandena mera komplicerade än i laboratorieförs öken och så enkla och tydliga resultat som i Fig. 9 får man inte. Detta visas bl.a. av att jordens densitet ökar med antalet överfarter av samma fordon. Ett av skälen är, att varje gång ett hjul rullar fram över marken, så ligger trycket endast på under mycket kort tid och flera överfarter krävs för att packningen skall hinna slutföras. Ett annat torde vara att när ett hjul rullar fram över en punkt på marken, så ändrar trycket hela tiden riktning, medan tryckriktningen i laboratorieförsöken är konstant.